文 | 靳老西

编辑 | 靳老西

为了研究磁流体油膜轴承油的粘度特性，采用NDJ－5S数显旋转粘度计测定了不同磁场和温度作用下其粘度大小的变化情况，理论计算得到了磁流体的粘温特性以及磁粘特性曲线。

结果表明，理论值与实验值相吻合。同时磁流体粘度随着磁场的增大而增大，随着温度的升高而减小。

磁场较弱时会出现磁粘滞后现象，分析原因是外加磁场对链状结构的形成和分裂影响结果。当温度高于T℃后，粘度的增加主要取决于外加磁场的大小，与温度关系较小。

说明在高温条件下通过控制磁场调节粘度是可行的。

提供了一种通过电流控制磁场来改变磁流体粘度的方法，为油膜轴承油磁流体润滑性能的分析提供参考和依据。

油膜轴承具有承载能力大、速度范围宽、抗冲击性强等优点，广泛应用于钢铁、矿山、航空等系统高、精、尖关键设备上。

磁流体是一种稳定的混合物，在外磁场的作用下，性能会发生变化，如摩擦系数减小、承载能力增大等，不仅可以磨损减少而且能实现连续润滑，使其润滑状态稳定。

近年来一些学者对磁流体的现状、研制、性能和应用做了大量的研究。HiroshiYamaguchi等发现磁场和磁性粒子的浓度影响粘弹性磁性液体的粘度和弹性。

学者们分析了硅油基磁性液体的粘度—磁场滞回曲线，得出粘度的变化与链状结构和滴状结构的形成和破裂有关。

S．A．Vshivkov等研究发现外加磁场的变化是相对粘度变化的1．3～4倍。HaoboCheng等研究了微米级羰基铁粒子磁悬浮液的粘度在磁场作用下的粘度与电压的函数关系。

QiangLi等通过实验研究表明磁性液体的粘度在垂直磁场的粘度要大于平行磁场时的粘度。

ShigemitsuShuchi等研究发现聚合物混合磁性流体粘度高于原来磁性流体的粘度，随着应用大幅度剪切速率的磁场时，聚合物的粘度有轻微的降低。

外磁场可直接改变磁流体的粘度，故准确掌握磁流体粘度随温度、磁场的变化规律对其润滑特性分析具有重要意义。

近年来关于影响磁流体粘度因素的研究多为理论研究和定性分析，也有通过实验测量不同磁场强度下磁流体粘度特性的研究。

但是很少对磁场和温度影响程度的定量研究。

本文主要针对用于油膜轴承润滑的磁流体，理论计算出其粘度特性，并与实验数据进行比较，发现两者相吻合。

对试验数据进行处理，得出粘度增长率的分布情况，并对其进行曲线拟合。

一、磁流体粘度特性

（一）无外磁场的粘度作用

温度和压力是影响润滑油粘度的重要因素。

当同时考虑两者对粘度的影响时，常用的表达式为Ｒoelands粘度方程：

对于稀疏的磁性流体而言，以及体积分数不是很小的条件下。

磁流体的动力粘度系数可以按可用Ｒosensweig修正的Einstein公式表述：式中：ηfo是无磁场作用时铁磁流体的粘性系数，ηc是磁流体基载液的动力粘性系数，φ是磁流体中固相颗粒的体积分量。

由此可得，无外磁场作用时的磁流体粘度为：

（二）外磁场作用时的粘度

根据Shliomis转动粘度理论，管流涡旋矢量ω与管流流速v在方向上符合右手定则，且磁场强度H对磁流体粘度的影响与管流涡旋矢量和外加磁场强度的夹角β有关。

当外加磁场作用时，磁流体粘度增量Δη与基载液粘度ηc的关系为：

油膜轴承磁流体粘度测试设备如图1（a）、（b）所示为磁流体粘度测试系统示意图以及实物图。

系统主要由粘度计、温度计、螺线管、计算机以及磁流体柱状容器组成。采用数显旋转粘度计（NDJ-5S）测量油膜轴承油的粘度。

测量过程中，通过加热带对磁流体进行加热，由于高温时难以保持温度恒定，故选取温度相对较高的34℃和37℃进行试验。

螺线管安装在充满了磁流体的柱状容器的外部为其提供外磁场，螺线管的参数如表1所示磁场由通电螺线管装置施加，外部电路由直流电源、变阻器、开关及若干导线组成。

如图2所示。磁场的大小的测量是通过外部的霍尔芯片实现的。

如图3所示，为不同通电电流下的磁场变化情况。分析可得当温度不同时，随着电流增大，其磁场增大。

二、结果和分析

（一）结果分析

在有无磁场作用下，理论计算出磁流体的粘温特性曲线，并与试验结果相比较，如图4所示。分析可知理论计算结果与试验测试结果吻合。

当磁场强度不变时，随着温度的升高，其粘度呈现下降的趋势。在同一温度下，有磁场作用的磁流体的粘度明显高于无磁场作用磁流体的粘度。

这是因为磁流体是一种特殊的流体，具有流体的一般性质。

和流体相同，磁流体粘性主要取决于分子间的内聚力，当温度升高时，液体的内聚力减小，使得其粘度随温度的升高而减小，随温度降低而增大。

为了更直观地研究磁场与粘度的关系，从理论计算以及试验中获取了磁粘特性曲线，如图5所示。

可以得出理论计算结果与试验测试结果吻合，当温度一定时，随着磁场强度的增大粘度也增大，这是因为磁性液体中所存在的纳米级磁性颗粒在外加磁场的作用下。

会聚集在一起形成链状结构，磁性颗粒所形成的链对于磁性液体粘度有很大的影响，其影响因素是链的长度与方向。

链的长度变长，链的方向与磁性液体流动方向的夹角变大时，链状结构对于磁性液体流动的阻碍就会变大，宏观上就可以观察到磁性液体的粘度变大。

磁场会促使链状结构的形成，宏观表现为有磁场的粘度大于无磁场时的粘度。

为了更好地研究磁场与粘度的关系，绘制了磁 流体的磁粘滞后曲线。图 6、图 7 分别为平均温度为 34℃、37℃时，磁场和粘度的滞后曲线，

正如上面提到的，磁场是影响链状结构的一个重要因素，磁场增大会促进链状的形成，表现为粘度的增加；磁场减小会使链状结构分裂，表现为粘度的减小。

这里可以用链状结构的形成和破裂来解释这种滞回现象。即使减小阶段使链状结构分裂，但尺寸仍大于增加阶段的尺寸，因此出现了这种现象。

随着磁场强度降低到最初的最低值时，磁性液体几乎无链状结构的存在，因而粘度值也相同，恢复到开始的情况其中ηfo和ηH分别表示有无磁场作用时铁磁流体的粘性。

并对其进行拟合。如图8所示为外加磁场不变时，粘度增长率随温度的变化情况。

对其进行曲线拟合，可得：可以得出，温度越高其粘度增长率越小，当温度到了一定的数值T℃以后，拟合曲线的指数项趋向于0，即粘度增长率将不再变化。

这说明T℃以后，磁场的增加情况主要取决于外加磁场的大小，与温度的关系较小，说明高温条件下用磁场对粘度进行调节是可行的。

（二）理论验证

通过查阅文献得到，外加磁场条件下磁流体粘度ηH可表示为：

式中 ηf0为无磁场作用时的磁流体润滑油膜粘度（Pa·s），Δη为外加磁场作用下磁流体润滑油膜的粘度增量（Pa·s）。

考虑到温度和磁场对其影响，对式（6）进行修整得：其中，KH为只考虑磁场时的比例系数，KT为只考虑温度时的比例系数，均可通过实验获得。

当只虑磁场对粘度变化的影响时，根据磁场强度对粘度变化率的定义。可以得出：

其中i=1，2，…，n，取平均值为其影响系数，可得

由试验可知在340℃和370℃下，由磁场增加以及其减小的过程中，得到4个KH，记为KTHU和KTHD。

其中上标T表示温度，U表示该温度下磁场增加的过程，D表示该温度下磁场下降的过程，下标H表示只考虑磁场的影响参数，具体数值如表2所示。

取在T℃时，则该温度下的磁场影响系数为：

将一系列温度下的磁场影响系数取平均值，即可得到磁场的影响系数：

此外，测试了一组磁场和温度都变化的粘度实验。根据定义式（7）可得KH·KT=1．337，将表2所得KH带入KH·KT=1．337，可得KT=0．682。

综上可知，KH＞1，说明磁场对粘度的增加起到积极作用；KT＜1，说明温度对粘度的增加起到了消极作用。

三、结论

（1）理论计算了磁流体的粘温特性以及磁粘特性曲线，通过与实验值的对比，发现两者吻合。

研究表明磁流体是一种特殊的流体，具有流体普遍的特性，即当磁场大小不变时，粘度随着温度的升高而降低。

在外磁场的作用下，粘度随着磁场的增加而增大，呈现出非牛顿流体的性质，主要是磁场会促使链状结构的形成，链状结构对于磁性液体流动的阻碍变大。

（2）当磁场较弱的时候，出现了磁粘滞后现象，这是由外加磁场对链状结构的形成和分裂的影响结果。

（3）通过粘度增加率ψ=ηH－ηf0ηf0曲线的绘制及曲线的拟合，可得出当温度高于T℃后，磁场的增加情况主要取决于外加磁场的大小，与温度的关系较小。

说明高温条件下用磁场对粘度进行调节是可行的，磁场对粘度的增长起到积极的效应。

参考文献

（1）王建梅，黄庆学，丁光正．轧机油膜轴承润滑理论研究进展［J］．润滑与密封，2012，37（10）：112-116．

（2）池长青．均匀磁场中铁磁流体润滑的轴颈轴承．航空动力报，2000，15（2）：174-178．

（3）王淼，王建梅，蔡敏．油膜轴承润滑油温度特性实验研究［J］．太原科技大学学报：2014，35（1）：44-48．